JP4745878B2 - はんだ皮膜及びそれを用いたはんだ付方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などを構成する配線基板の部品実装あるいは半導体素子と基材との接合に用いられるはんだ皮膜及びそれを用いたはんだ付方法に関するものである。

地下水の汚染などによって鉛（Ｐｂ）の毒性が問題となり、電気電子製品への使用を制限する動きが世界的に強まる中、従来、電子機器の配線基板への部品実装用として広く用いられていた錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）系はんだが、錫−銀（Ｓｎ―Ａｇ）系、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系などのＳｎ基でＰｂ非含有合金に置き換えられている。従来、最も多く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系合金は、該合金系において最も融点が低くなる６３質量％Ｓｎ−３７質量％Ｐｂの組成比あるいはその近傍の組成比の合金であり、その融点は約１８３℃であったが、Ｐｂ非含有はんだとして一般に用いられるはんだ合金の融点は、Ｓｎ−Ａｇ系の場合で２２０℃前後、Ｓｎ−Ｚｎ系の場合で２００℃前後と、従来のＰｂ含有はんだ合金に比較して高い融点を持っている。

一方、電子回路基板へ電子部品を実装する時に、電子部品内部のはんだ接続部が溶融することのないようにするため、電子部品内部の接続は、電子回路基板へ電子部品を実装するためのはんだ合金よりも高い融点を持つはんだ合金によって行われていなければならない。電子回路基板へ電子部品を実装する時には２５０℃程度の温度に加熱されるため、電子部品の内部接続に用いるはんだ合金は２５０℃を超える融点を持つ必要がある。上記Ｓｎ−Ｐｂ系合金は、ＳｎとＰｂとの含有比率を調整することで比較的大きく融点を変化させることが可能であり、Ｐｂの含有比率を高めることで高い融点を得ることができ、例えば、５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金の場合、その融点は３００℃を超える。従来の電子部品内部接続には、例えば５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金が用いられていたが、Ｐｂによる環境汚染を防止するため、電子部品の内部接続にもＰｂ非含有合金を用いることが社会的に求められている。

５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金のように２５０℃を越え、３００℃程度の融点を有するＰｂ非含有合金の候補としては金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）系、亜鉛−錫−アルミニウム−マグネシウム（Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ）系、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）系、ビスマス−錫（Ｂｉ−Ｓｎ）系、ビスマス−銀（Ｂｉ−Ａｇ）系などの合金が考えられるが、従来のＳｎ−Ｐｂ系合金に比較していずれも硬くて脆い機械的特性を持つうえ、Ａｕ−Ｓｎ系は極めて高価であり、Ｓｎ−Ｓｂ系に含まれるＳｂは毒性が高いことが問題である。

これに対し、比較的柔軟な機械特性を持ち、３００℃以上の液相線温度を持つ合金として亜鉛−錫（Ｚｎ−Ｓｎ）系合金が考えられる。しかしながら、Ｚｎは酸化しやすく、かつ一旦酸化したＺｎ酸化膜は破壊され難いため、はんだ付性を阻害する要因となりやすいという問題がある。この問題を解決するために、Ｚｎ−Ｓｎ系合金に０．００１質量％〜１質量％のリン（Ｐ）を添加した合金が提案されており、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００５−５２８６９号公報（第５−６頁）

上記特許文献１のように、０．００１質量％〜１質量％のＰを添加することで、Ｐが優先的に酸化して表面をＰ酸化膜が覆うため、ＺｎやＳｎの酸化をある程度抑制することができ、はんだ付性を多少改善できるものの、Ｚｎの酸化を完全に防止することは困難であり、未接合部やボイドなどの接合欠陥の発生は避けられないという問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、Ｚｎ−Ｓｎ系のはんだにおいて、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制できるはんだ皮膜を得るとともに、そのはんだ皮膜によって空孔などの接合欠陥のない接合部を形成できるはんだ付方法を得ることを目的とする。

本発明に係るはんだ皮膜は、銅のリードフレームで構成された基材の上に形成されたはんだ皮膜であり、上記はんだ皮膜は、錫のみで構成された錫膜と、亜鉛のみで構成された亜鉛膜とが交互に積層され、上記基材と接する層が錫膜であり、上記積層における最上層の膜が錫膜であるものである。

本発明に係るはんだ付方法は、基材上に形成された本発明に係るはんだ皮膜上に被接合物を載置し、上記はんだ皮膜を加熱溶融することにより上記被接合物を上記基材に接合するものである。

本発明によれば、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制し、未接合部やボイドなどの接合欠陥のないはんだ接合部を形成することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態１を示す断面図である。本実施の形態１では、図１に示したように、例えば、シリコン（Ｓｉ）で構成された半導体チップ等の基材１上に、例えば、真空蒸着によって形成されたＳｎが３０質量％で残部がＺｎと不可避不純物で構成されたＺｎ−Ｓｎはんだ皮膜２を形成し、Ｚｎ−Ｓｎはんだ皮膜２の上にＳｎのみから構成される（不可避不純物を含む）Ｓｎ膜３を形成する。

このようにＺｎ−Ｓｎ表面処理膜２の上にＳｎ膜３を形成した表面処理膜では、最表面にはＳｎのみしか存在しないため、大気中において酸素と反応して形成される酸化膜はＳｎＯまたはＳｎ_２Ｏのみとなり、Ｚｎ酸化物は存在しない。従って、この表面処理を用いてリードフレームなどの被接合材と接合する場合、一般的なはんだ接合で用いられるロジン系フラックスを用いることで容易に酸化膜を除去することが可能であり、Ｚｎ酸化物を除去する場合のような多量のガスを発生することがないため、未接合やボイドなどの接合欠陥を生じることがない。

また、大気中で加熱されると下層のＺｎ−Ｓｎ表面処理膜２からＺｎが表面のＳｎ膜３に拡散し、最表面にＺｎ酸化物が形成されるが、最表面のＳｎ膜３の厚さが１０ｎｍ以上であれば最表面の酸化膜はＳｎ酸化物のみで構成されるので、Ｓｎ膜３の厚さは１００ｎｍ以上であるのが望ましい。

また、Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜２の組成は、Ｓｎが３０質量％で残部がＺｎで構成される場合について述べたが、Ｓｎが５０質量％以下の場合であれば同様の効果が得られる。

また、表面処理膜の形成方法として真空蒸着による場合について述べたが、めっきやスパッタなどの方法によって構成しても同様の効果が得られる。

また、基材１としてＳｉチップを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、金属製のリードフレーム等種々のものを用いることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態２を示す断面図である。本実施の形態２では、図２に示したように、例えば、Ｃｕのリードフレームで構成された基材４上に、例えば、真空蒸着によって形成された、Ｓｎのみ（不可避不純物を含む）で構成されたＳｎ膜６と、Ｚｎのみ（不可避不純物を含む）で構成されたＺｎ膜５とを順次積層し、積層膜における最上部のＺｎ膜５上に最表面のＳｎ膜３を形成することにより表面処理膜を構成する。各膜の厚さは、例えば、Ｚｎ膜５を１０μｍ、Ｓｎ膜６を５μｍ、最表面のＳｎ膜３を１μｍとする。

このように構成された表面処理膜では、ＺｎとＳｎとが別々に存在しているが、この表面処理膜を用いてリードフレームなどの被接合材と接合する場合、ＺｎとＳｎとの共晶温度である１９９℃以上に加熱すると、Ｚｎ膜５とＳｎ膜６との界面において共晶反応によって溶融し、最終的には均一なＺｎ−Ｓｎ合金を形成する。表面処理膜の最表面のＳｎ膜３がＳｎのみで構成されているため、一般的なはんだ接合で用いられるロジン系フラックスを用いることで容易に酸化膜を除去することが可能で、未接合やボイドなどの接合欠陥を生じることがないはんだ付けが得られる。

また、基材４と接する層がＳｎのみで構成されたＳｎ膜６であるので、加熱されてＳｎ膜６が溶融すると基材４のＣｕと反応して界面にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物が選択的に形成される。通常、Ｚｎ−Ｓｎ合金がＣｕと接した状態で溶融するとＺｎがＣｕと反応し、界面にはＣｕ−Ｚｎ合金が形成される。Ｃｕ−Ｚｎ合金を高温で保存するとＣｕ−Ｚｎ合金がＣｕ−Ｓｎ化合物に変化し、その時の物質移動に従ってカーケンダルボイドが形成されて接合界面が脆弱化する問題があるが、本実施の形態２の場合、基材４との界面に形成される反応層はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物のみとなるため、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物が高温で保存されても界面での変化はなく、カーケンダルボイドを発生することもなくなる。

各膜の厚さは、Ｚｎ膜５が１０μｍ、Ｓｎ膜６が５μｍ、最表面のＳｎ膜３が１μｍである場合について述べたが、溶融後の合金組成比としてＳｎが５０質量％を越えない範囲であれば、この膜厚に限るものではない。しかしながら、各膜の厚さが大きくなりすぎると溶融した後でも元素の偏在が生じる恐れがあるため、各膜の厚さは１００μｍ以下であることが望ましい。

また、膜の数も５層に限るものでないことは言うまでもない。また、表面処理膜の形成方法として真空蒸着による場合について述べたが、めっきやスパッタなどの方法によって構成しても同様の効果が得られる。

また、基材４としてＣｕのリードフレームを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、Ｃｕ系材料であれば同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図３は、本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態２を示す断面図である。本実施の形態３では、図３に示したように、例えば、銅（Ｃｕ）のリードフレームで構成された基材７上にめっき等でニッケル（Ｎｉ）膜８が施され、例えば、真空蒸着によって形成されたＳｎが３０質量％で残部がＺｎと不可避不純物で構成されたＺｎ−Ｓｎ表面処理膜２を形成し、Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜２の上に最表面のＳｎ膜３を形成する。

本実施の形態３によれば、基材７の表面がＮｉ膜８で被服されているため、加熱されてＺｎ−Ｓｎ表面処理膜２が溶融してもＮｉ膜８がバリアとなって基材７のＣｕがＺｎ−Ｓｎ表面処理膜２と直接反応することがない。従って、Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜２が溶融した後、高温で保存されても界面での変化はなく、カーケンダルボイドを発生することもなくなる。Ｎｉ膜８が存在しなければ、Ｚｎ−Ｓｎ合金がＣｕと接した状態で溶融し、ＺｎがＣｕと反応し、界面にはＣｕ−Ｚｎ合金が形成され、Ｃｕ−Ｚｎ合金を高温で保存するとＣｕ−Ｚｎ合金がＣｕ−Ｓｎ化合物に変化し、その時の物質移動に従ってカーケンダルボイドが形成されて接合界面が脆弱化する。

なお、本実施の形態３では、Ｃｕの基材７の場合について述べたが、Ｃｕ−Ｚｎ合金など、Ｚｎと積極的に反応する元素を含有するような基材の場合に有効である。

実施の形態４．
図４は、本発明に係るはんだ皮膜よるはんだ付方法を示す断面図である。図４において、基材７、Ｎｉ膜８、Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜２、Ｓｎ膜３は上記実施の形態３で示したものと同一のものであり、被接合面にＮｉ表面処理９ａを施したＳｉチップからなる被接合材９を基材７に接合する例を示しているが、上記実施の形態１及び２の表面処理膜も同様に適用することができる。

図４に示したように、はんだ皮膜を施したＣｕのリードフレーム７と被接合材９とを重ね合わせてＺｎ−Ｓｎ合金の融点以上、例えば、４００℃に加熱することによってはんだ接合することができる。この時、被接合面の酸化物を除去するために、例えば、ロジン系フラックスを被接合面に塗布しておくことで大気中でも未接合部やボイド等の接合欠陥のない接合が可能になる。

フラックスを用いない場合は、酸素濃度を例えば１００ｐｐｍ程度に低下させた不活性雰囲気中または水素を含有する還元性雰囲気中で加熱することによりフラックスを用いた場合と同様の接合が可能になる。

本実施の形態４では、基材７の表面処理としてＣｕの基材７上にめっき等によりＮｉ膜８を施した後、Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜２、最表面にＳｎ膜３表面処理を施した場合について述べたが、上記実施の形態２で述べた表面処理の場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、被接合材９としてＮｉ表面処理９ａを施したＳｉチップの場合について述べたが、Ｓｉチップに限るものでないことは言うまでもない。

また、Ｎｉ表面処理９ａに代えて、金（Ａｕ）めっきとしてもよく、さらに、それ以外の表面処理でもよい。

また、例えば、Ｓｎ膜３上に薄いＡｕめっきを施すことにより、はんだ濡れ性をさらに改善することも可能である。

本発明は、Ｐｂ系のはんだを代替する分野において広く利用することができる。

本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態１を示す断面図である。 本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係るはんだ皮膜の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係るはんだ皮膜よるはんだ付方法を示す断面図である。

１，４，７ 基材、２ Ｚｎ−Ｓｎ表面処理膜、３ Ｓｎ膜、５ Ｚｎ膜、
６ Ｓｎ膜、８ Ｎｉ膜、９ 被接合材、９ａ Ｎｉ表面処理。

Claims (5)

1. 銅のリードフレームで構成された基材の上に形成されたはんだ皮膜であり、上記はんだ皮膜は、錫のみで構成された錫膜と、亜鉛のみで構成された亜鉛膜とが交互に積層され、上記基材と接する層が錫膜であり、上記積層における最上層の膜が錫膜であることを特徴とするはんだ皮膜。
2. 上記最上層の膜である錫膜の厚さが１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のはんだ皮膜。
3. 上記亜鉛膜及び錫膜の厚さは、それぞれ１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のはんだ皮膜。
4. 上記各膜が、めっき、蒸着あるいはスパッタによって形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のはんだ皮膜。
5. 上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の上記基材上に形成されたはんだ皮膜上に被接合物を載置し、上記はんだ皮膜を加熱溶融することにより上記被接合物を上記基材に接合することを特徴とするはんだ付方法。

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